GIẢI THÍCH VỀ SHARDING: NÓ LÀ GÌ VÀ NÓ GIÚP ÍCH NHƯ THẾ NÀO CHO VIỆC MỞ RỘNG QUY MÔ

Phân mảnh là một phương pháp được sử dụng trong điện toán để nâng cao hiệu suất và khả năng mở rộng bằng cách chia nhỏ một tập dữ liệu hoặc tác vụ tính toán thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn, được gọi là phân mảnh. Mỗi phân mảnh là một tập hợp con riêng biệt, độc lập của toàn bộ tập dữ liệu và có thể được lưu trữ hoặc xử lý riêng biệt với các phân mảnh khác.

Kỹ thuật này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như:

• Cơ sở dữ liệu: Trong các hệ thống cơ sở dữ liệu phân tán, phân mảnh liên quan đến việc phân vùng cơ sở dữ liệu thành các phần nhỏ hơn. Mỗi phân mảnh thường chứa cùng một lược đồ nhưng các hàng dữ liệu khác nhau.
• Chuỗi khối: Trong các mạng blockchain, phân mảnh phân bổ trách nhiệm xác thực và lưu trữ trên các nút khác nhau để tránh quá tải bất kỳ phần nào của hệ thống.

Tại sao nên sử dụng phân mảnh?

Khi hệ thống phát triển, nhu cầu về cơ sở hạ tầng của chúng cũng tăng theo. Ví dụ, một cơ sở dữ liệu nhận hàng nghìn truy vấn mỗi giây có thể gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu suất khi được lưu trữ trên một máy chủ hoặc hệ thống duy nhất. Phân mảnh cung cấp một giải pháp khắc phục tình trạng tắc nghẽn này bằng cách cho phép:

• Xử lý song song: Mỗi phân mảnh có thể xử lý đồng thời các khối lượng công việc riêng biệt, cải thiện thông lượng.
• Phân phối tài nguyên: Việc phân tán dữ liệu trên nhiều máy có thể tối ưu hóa việc sử dụng bộ nhớ, cải thiện việc sử dụng CPU và mở rộng khả năng lưu trữ.
• Tăng trưởng có kiểm soát: Các tổ chức có thể mở rộng quy mô một cách có thể dự đoán được bằng cách thêm các phân mảnh mới khi cần thiết thay vì thay thế toàn bộ hệ thống.

Về mặt khái niệm, phân mảnh giống như việc chia một bảng tính lớn thành nhiều bảng tính nhỏ hơn, trong đó mỗi bảng tính được quản lý độc lập nhưng tất cả cùng nhau tạo nên một tập dữ liệu đầy đủ.

Một trong những lý do chính để triển khai phân mảnh là để cải thiện khả năng mở rộng hệ thống. Khi lượng người dùng tăng lên và các ứng dụng thu thập nhiều dữ liệu hơn, hệ thống phải có khả năng xử lý tải lớn hơn mà không làm giảm hiệu suất. Phân mảnh cung cấp một giải pháp thiết thực cho thách thức này theo một số cách chính:

Ưu điểm của việc mở rộng theo chiều ngang

Phân mảnh là một dạng mở rộng theo chiều ngang, còn được gọi là kiến trúc mở rộng. Thay vì chỉ dựa vào một máy tính mạnh mẽ hơn (mở rộng theo chiều dọc), nhiều máy tính yếu hơn có thể hoạt động song song:

• Khả năng mở rộng: Hệ thống có thể phát triển dần dần bằng cách chỉ thêm các phân đoạn mới trên các máy chủ mới khi cần thiết.
• Hiệu quả về chi phí: Việc vận hành nhiều máy tính vừa phải thường rẻ hơn so với việc chỉ vận hành một máy tính cao cấp.
• Độ tin cậy: Sự cố ở một phân đoạn không nhất thiết làm sập toàn bộ hệ thống, giúp cải thiện khả năng phục hồi.

Cân bằng tải và hiệu suất

Vì mỗi phân đoạn chỉ xử lý một phần khối lượng công việc, nên việc phân đoạn giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Các thao tác ghi và đọc được phân tán, giảm độ trễ và ngăn ngừa tình trạng quá tải trên một máy chủ duy nhất:

• Hiệu quả truy vấn: Cơ sở dữ liệu có thể chạy truy vấn nhanh hơn bằng cách tìm kiếm ít hàng hơn trên mỗi phân đoạn.
• Hiệu quả ghi: Dữ liệu đến được ghi đồng thời vào các phân đoạn khác nhau, cho phép chèn nhanh hơn và giảm thiểu rủi ro tồn đọng.

Ứng dụng trong thế giới thực

Nhiều hệ thống quy mô lớn sử dụng phân đoạn hiệu quả:

• Google và Facebook: Họ sử dụng phân đoạn cơ sở dữ liệu để hỗ trợ lưu lượng truy cập toàn cầu trong khi vẫn duy trì tính khả dụng và tốc độ của dữ liệu.
• Ethereum 2.0: Trong blockchain, Ethereum đang triển khai phân đoạn để giải quyết các vấn đề về tắc nghẽn mạng và khả năng mở rộng.

Do đó, thông qua việc tách rời chức năng và quản lý tài nguyên phân tán, phân đoạn trở thành công cụ mạnh mẽ thúc đẩy sự phát triển của hệ thống và hiệu suất đáng tin cậy ở quy mô lớn.

Mặc dù phân mảnh mang lại lợi ích đáng kể về khả năng mở rộng, nhưng nó cũng đặt ra một số thách thức đòi hỏi phải lập kế hoạch cẩn thận. Phân mảnh không phải là giải pháp toàn diện và cần được áp dụng một cách thận trọng để tránh các vấn đề vận hành sau này.

Những thách thức chính của Phân mảnh

Khi được thiết kế hoặc thực hiện kém, phân mảnh có thể dẫn đến:

• Độ phức tạp trong Logic ứng dụng: Các ứng dụng phải nhận thức được cách dữ liệu được phân vùng và vị trí lưu trữ dữ liệu cụ thể.
• Cân bằng lại dữ liệu: Khi phân phối dữ liệu trở nên không đồng đều, một số phân mảnh nhất định có thể trở thành điểm nóng, gây ra tắc nghẽn hiệu suất.
• Giao dịch xuyên phân mảnh: Các hoạt động trải dài trên nhiều phân mảnh đòi hỏi sự phối hợp và quản lý giao dịch thường phức tạp để duy trì tính nhất quán.
• Chi phí vận hành: Càng nhiều phân mảnh đồng nghĩa với càng nhiều bộ phận chuyển động—việc giám sát, bảo mật và sao lưu trở nên phức tạp hơn.

Chiến lược Phân mảnh hiệu quả

Để tối đa hóa lợi ích của việc phân mảnh đồng thời giảm thiểu các thách thức của nó, các phương pháp hay nhất bao gồm:

• Chọn Khóa Phân mảnh Phù hợp: Việc lựa chọn khóa phân mảnh là rất quan trọng. Khóa phải phân bổ đều khối lượng công việc để ngăn ngừa lệch dữ liệu và điểm nóng.
• Giám sát và Phân tích: Kiểm tra thường xuyên đảm bảo các phân mảnh luôn cân bằng. Các công cụ giám sát có thể giúp phát hiện sớm các bất thường.
• Giảm thiểu Hoạt động Liên phân mảnh: Thiết kế các ứng dụng hoạt động chủ yếu trong các phân mảnh đơn lẻ để đơn giản hóa logic và nâng cao hiệu suất.
• Công cụ Phân mảnh Tự động: Các hệ thống hiện đại thường đi kèm với các công cụ để phân bổ lại dữ liệu một cách linh hoạt khi tải thay đổi.

Phân mảnh trong Tư duy Thiết kế

Kiến trúc cho phân mảnh đòi hỏi sự tiên liệu. Việc xây dựng với việc phân mảnh ngay từ đầu sẽ dễ dàng hơn là tái cấu trúc một hệ thống đơn khối hiện có. Các công ty đang ngày càng áp dụng các mô hình microservice và không máy chủ, vốn kết hợp tốt với kiến ​​trúc phân mảnh để kiểm soát chi tiết và khả năng thích ứng.

Tóm lại, phân mảnh là một kỹ thuật đã được chứng minh có thể mở rộng quy mô hệ thống, giảm độ trễ và quản lý khối lượng dữ liệu lớn. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải có kế hoạch chiến lược, thực hiện thành thạo và bảo trì liên tục để ngăn ngừa các rủi ro và khai thác hết tiềm năng của nó.